側(cè)重地球化學現(xiàn)代儀器分析教學改革
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摘要:文章介紹了依托大型儀器平臺對地球化學專業(yè)開設的現(xiàn)代儀器分析課程進行教學改革的具體做法。教師在授課過程中加入多種教學教學方法，將理論授課和實踐教學有機的結(jié)合起來，既能將地質(zhì)學領域的實際應用加入到教學中，也能有效提高學生的創(chuàng)新能力和實際動手分析操作能力，為學生做畢業(yè)論文打下基礎。
關鍵詞:地球化學;現(xiàn)代儀器分析;教學改革
現(xiàn)代儀器分析是高校里開設面比較廣的一門專業(yè)基礎課或者專業(yè)選修課程，開設該門課程的專業(yè)包括化學、材料、生物、環(huán)境、藥物、食品科學、地球化學等相關專業(yè)［1］。桂林理工大學地球化學專業(yè)作為非常重要的一門學科，在找礦勘查及環(huán)境評價領域具有其他方法無法代替的獨立優(yōu)勢。地球化學專業(yè)在人才培養(yǎng)、教學和教學管理中，強調(diào)理論與實踐相結(jié)合，要求學生既掌握地球化學基礎理論，又能熟練將最新的儀器分析方法應用到實際研究中。目前桂林理工大學地球科學學院建有廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘點實驗室，引進的設備包括原子吸收分光光度計、原子熒光光譜儀、X射線熒光光譜儀、電子探針顯微分析儀、激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀和多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀等眾多大型儀器。因此，在地球化學專業(yè)的現(xiàn)代儀器分析課程教學過程中，依托現(xiàn)有的大型儀器設備開展適用本專業(yè)的儀器分析教學非常有必要［2］。
一、分章節(jié)專業(yè)知識分析及教學應用
對于現(xiàn)代儀器分析課程的教學，依托學院現(xiàn)有的大型儀器設備，同時結(jié)合地球化學專業(yè)實際應用的案例，設置課程中的各個章節(jié)。下面，簡單描述現(xiàn)代儀器分析各個章節(jié)的主要內(nèi)容以及地球化學專業(yè)實際應用的案例。
(一)原子吸收分光光度計本章節(jié)系統(tǒng)講述原子吸收分光光度計的基本原理，該分析方法的發(fā)展背景及狀況、儀器組成、相對應的配套實驗室條件、儀器參數(shù)設定、真實儀器數(shù)據(jù)分析、地質(zhì)樣品的準備等知識。原子吸收分光光度計根據(jù)物質(zhì)基態(tài)原子蒸汽對特征輻射吸收的作用來進行金屬元素分析，能夠靈敏可靠地測定微量或痕量元素。在地球化學專業(yè)中，可以利用原子吸收分光光度計測定地質(zhì)樣品中70多種元素，固體、溶液和氣體樣品均可以利用該儀器進行分析。因此在實際教學過程中，側(cè)重該方法在地質(zhì)樣品測試的上的應用，并將學院實驗室分析的數(shù)據(jù)進行課堂分享，使學生系統(tǒng)掌握相關知識。
(二)原子熒光光譜法本章節(jié)主要講述原子熒光光譜法的基本原理、原子熒光光譜的類型以及原子熒光分光光度計的組成。原子熒光光譜法具有很高的靈敏度，校正曲線的線性范圍寬，能進行多元素同時測定，該方法是測定地質(zhì)化探樣品中微量砷、銻、鉍、汞、硒、碲、鍺等元素最成功的分析方法之一。原子熒光分光光度計與原子吸收分光光度計儀器組成相似，因此在講述該方法時可以采用對比教學法的方式引導學生掌握并區(qū)分兩種測試方法，加強學生對相關知識的掌握，并培養(yǎng)學生的科學思維和能力。在講述原子熒光光譜法時，“化探樣品污染的來源和處理”“樣品測定中的干擾及其消除方法”是難點內(nèi)容，因此在講述這兩部分內(nèi)容時，除了傳統(tǒng)的課堂講授，教師可以結(jié)合網(wǎng)絡視頻、文獻資料等多種資源向?qū)W生展示相關的知識，這對于開拓學生的思維能力以及綜合素質(zhì)培養(yǎng)具有重要意義。
(三)X射線光譜法本章節(jié)講述X射線光譜法發(fā)展歷史、X射線的產(chǎn)生、X射線的吸收、散射和衍射的機理、X射線儀器的結(jié)構(gòu)以及X射線熒光法的應用。X射線是由德國科學家倫琴發(fā)現(xiàn)的，也稱為倫琴射線，該發(fā)現(xiàn)在物理學和儀器分析領域具有非常重要的意義，也為X射線光譜法的產(chǎn)生奠定了基礎。因此教師在授課過程中，結(jié)合網(wǎng)絡視頻向?qū)W生展示X射線的發(fā)現(xiàn)過程能激發(fā)學生學習的興趣，非常有助于學生理解抽象的物理學知識，為提高學生自主學習能力和創(chuàng)新意識打下基礎。在講述X射線吸收、散射和衍射的機理，這部分內(nèi)容抽象難懂，教師可以采用案例教學法引導學生，同時結(jié)合日常生活中光的散射現(xiàn)象幫助學生理解。日常生活中看到太陽光透過云層、薄霧呈現(xiàn)出一道道光柱，這個現(xiàn)象就是由于光的散射造成的，也稱為“丁達爾現(xiàn)象”。而對于X射線的衍射機理，與中學物理中學習過的小孔成像實驗相似，可以在此基礎上給學生做進一步的講解。
(四)表面分析法及電子探針本章節(jié)講述內(nèi)容分為兩部分:第一部分內(nèi)容包括表面分析法的概念、電子能譜基本原理及儀器應用;第二部分內(nèi)容包括電子探針微束分析技術發(fā)展歷史、電子探針分析的物理基礎以及如何利用電子探針進行定量分析和成像分析。表面分析法屬于微區(qū)分析的一種，是地質(zhì)學領域常用的分析方法。對于剛接觸或者尚未接觸大型儀器分析的學生來說，理解該方法具有一定的難度，這時候教師在授課過程中需要加入表面分析法的演示視頻、實際儀器的照片以及自己科研工作實際獲得的數(shù)據(jù)進行講解，幫助學生掌握該方法的特點和相關應用。
(五)激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀本章節(jié)講述電感耦合等離子體質(zhì)譜儀基本原理、分析方法的發(fā)展過程、儀器組成、相對應的配套實驗室條件、儀器參數(shù)設定、標樣選擇、儀器的數(shù)據(jù)分析和在地質(zhì)方面的應用等方面的知識。相比前面四種光譜學分析方法，激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜分析方法更復雜，學習過程中需要用到大量的物理學和分析化學知識，因此在講授該部分內(nèi)容之前需提醒學生預習相關的知識。在講述該章節(jié)內(nèi)容時，單一的使用“直接講授法”達不到預期的教學效果。因此，授課教師可以結(jié)合“問題導向式教學”“翻轉(zhuǎn)課堂教學”等方式進行講述［3］，例如在授課時教師可以提出“等離子是什么”“激光有哪些用途，常見的激光波長是多少”“質(zhì)譜儀的測試原理與前面四種光譜學分析方法的不同點”等問題。通過提問與學生積極互動，既能檢驗學生的預習效果，也能激發(fā)學生的興趣。同時，授課教師也可以利用“雨課堂”“中國大學MOOC”等互聯(lián)網(wǎng)資源嘗試混合式教學，有助于學生拓寬自己的知識面，加強創(chuàng)新意識。
(六)多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀本章節(jié)主要講述多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀基本原理，儀器結(jié)構(gòu)和地質(zhì)學應用。多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀在地質(zhì)學領域應用廣泛，可以精確測試多種同位素的組成。在上一節(jié)“激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀”講述的基礎上，本章節(jié)在過程中更應強調(diào)“地質(zhì)學應用”方面的內(nèi)容，因此采用“教研結(jié)合”的方式更好，教師在授課前可以發(fā)一篇與授課內(nèi)容密切相關的文獻給學生分組閱讀，例如將代表性的綜述文獻“電感耦合等離子體質(zhì)譜原理和應用”發(fā)給學生課下閱讀［4］，課上進行分組討論，討論時教師引導學生關注“多接收器組成”“同位素分餾”等難點知識，同時要求學生課下自主收集查閱部分文獻，讓學生區(qū)分出“激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀”和“多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀”在地質(zhì)學上分別有哪些應用，對待測地質(zhì)樣品的要求以及外標法的使用方法。
二、利用大型儀器平臺開展實驗課
(一)現(xiàn)代儀器分析實驗課程目標現(xiàn)代儀器分析實驗課要求學生掌握不同種類地質(zhì)樣品的預處理方法和操作規(guī)范，包括巖石、土壤、單礦物樣品等，掌握大型儀器實驗室的工作條件和儀器的基本操作方法，針對不同的測試要求選擇合適的儀器分析方法，同時學習地質(zhì)樣品測試完成后獲得數(shù)據(jù)的處理方法并撰寫實驗報告。通過實驗課程的開設，全面提升學生創(chuàng)新意識、動手能力和科研能力，為后續(xù)的發(fā)展奠定基礎。
(二)現(xiàn)代儀器分析實驗課課程設置現(xiàn)在桂林理工大學地球科學學院大型儀器平臺包括原子吸收分光光度計、原子熒光光譜儀、X射線熒光光譜儀、電子探針顯微分析儀、激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀和多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀等地球化學領域常用的儀器。上述這些儀器可以用于各類地質(zhì)類樣品的測試分析。目前實驗課程設置根據(jù)理論課的內(nèi)容，對每種不同的儀器安排2個學時的實驗課。
(三)現(xiàn)代儀器分析實驗課授課方式目前現(xiàn)代現(xiàn)代儀器分析實驗課授課過程中需要理論課主講教師與負責儀器管理的實驗師相配合。由于大型儀器結(jié)構(gòu)復雜，工作條件要求高，操作難度大，因此在實際上課過程中對學生進行分組，分別進入不同實驗室在實驗師指導下學習相關知識，并對有條件的實驗室安排學生動手操作進行樣品預處理和測試。理論課授課老師根據(jù)實驗安排再統(tǒng)一講授數(shù)據(jù)處理方法，例如要求學生掌握處理激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測試數(shù)據(jù)ICPMADataCal軟件的操作方法。
三、結(jié)語
依托現(xiàn)有大型儀器平臺進行地球化學專業(yè)現(xiàn)代儀器課程改革，能充分做到理論與實踐結(jié)合，對提高教學效果，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識、自主思維能力和動手能力的學生具有重要意義，也能加強學生就業(yè)時的競爭能力。
參考文獻:
［1］王雁南，盧媛，陳翠紅，等．大型儀器平臺在儀器分析教學中的應用于實踐［J］．實驗室研究與探索，2020，39(2):173-175．
［2］卓琳，吳四維．《儀器分析》課程教學探索與實踐［J］．廣州化工，2019，47(15):178-180．
［3］王荷芳，孔德明．儀器分析課程有效教學之有效測評及反饋［J］．大學化學，2020，35:1-5．
［4］李冰，楊紅霞．電感耦合等離子體質(zhì)譜技術最新進展［J］．分析試驗室，2003，22(1):94-100．
作者：李雙 單位：桂林理工大學地球科學學院